时间是什么? 自人类诞生以来,时间概念便一直困扰着人们.奥古斯丁( Augustine) 曾经说: "时间是什么? 没人问我,我很清楚; 一旦问起,我便茫然."后来,哲学的产生使人们更加本质地去理解时间,从而使把握时间的本质成为哲学的重要主题.但是不同的体系对时间有不同的界定,"以历史学为例,法国着名史学家布劳德尔就把时间分为三种尺度,这三种尺度是'地质时间'( 其中事件发生在几千万年的过程中) ,'社会时间'( 这个尺度比地质时间短得多,经济、国家和文明即以此尺度来测量) ,以及'个人时间'( 它是更短的尺度,用以量度个人的事件和历史) ."[1]
而在西方传统的思想体系中,经典物理学一直占据着重要地位,因此它所理解的时间主要是物理学的时间.
比利时科学家伊·普里戈金( I. Prigogine) 根据自然科学的最新成果,特别是耗散结构理论等非平衡系统自组织理论的新进展,对自然界一系列范畴进行了不懈的研究,提出了新的时间观念.
一、经典物理学: 时间对称
近代科学兴起于十七世纪的伽利略、牛顿和莱布尼茨时代.1686 年牛顿提出了他的《自然哲学的数学原理》,从而把万有引力定律引入到了人们理解自然界的体系之中.从此经典物理学以质量、加速度、惯性等这样一些概念所描述的机械世界开始确立起来.
在牛顿的物理学体系中,力是一个很重要的概念,它是改变物体运动状态的关键.而在牛顿的运动方程中,时间在加速度的瞬时值中是以平方的形式出现的.这样就使牛顿理论的时间具有这样的特点: 把前进的时间( "正的时间") 改成倒退的时间( "负的时间") ,方程依然成立.也就是说,对牛顿方程的每一个解,只要把时间反演,方向颠倒,可以得到另一个同样被容许的解; 运动过程可以倒转.这样牛顿理论就向我们描述了一个完全可以逆转的世界.牛顿方程的数学结构,决定了牛顿理论是"决定性"的.不管在观测的初始时刻位置和速度如何,也就是不论"初始条件"如何,系统的行为对过去和未来都是确定的.用爱因斯坦的话说,过去、现在和未来之间的区别不过是一种幻觉,整个的未来和整个的过去都包含在现在之中,它们不过是同一整体的几个不同方面而已."决定性"和"因果性"又是紧密联系着的,因果性认为每一个事件都有它的原因,事件本身就是这个原因的结果; 时间倒转的对称性意味着"果"可以变成"因",它们的关系是严格可逆的.
因此在动力学世界里,变化等同于加速或减速.运动定律的积分导出粒子所遵循的轨道.变化的规律,即时间对自然的作用的规律,是用轨道的特性来表示的.而轨道的基本特性就是合法性、决定性和可逆性.一旦知道了作用力,任何一个态都足以完全确定该系统,不但确定它的未来,而且确定它的过去.因此,在任一瞬间一切都是给定的.如果系统所有点的速度被倒过来,比如时间 T 变为 - T,速度 V 变为- V,这在数学上被认为是等价的,那么系统将会出现"时间倒流",它将回到过去所经历过的每一个状态.这样,动力学变化所得到的东西可以被另一个时间倒流所引起的变化抵消,事物可以回到原来的状态,就像钟摆在一个完全封闭的系统里重复着同样的过程,似乎时间已经停止.同样,电磁场理论、相对论和量子力学理论,也都否定了时间的方向性.就像爱因斯坦所认为的时间和不可逆性一样只是一种幻影.
实际上,在经典力学中,时间只是一个后来添上去的概念."正是人,在一个没有时间的宇宙中引入了时间".牛顿为了方便以数学方式描述运动而引入时间的概念,他把运动定义为位置随时间的变化; 在那里时间仅仅被看作是一个基本量,它只是一个衡量物体运动的参量,本身没有定义,并不起什么建设性作用.过去和未来可以反演,时光可以倒流.
可见,经典物理学以清楚而显着的方式表达了静止的自然观,它所描述的机械世界的未来和过去是等价的.而随机性或不可逆过程仅仅是一些例外的情形,自然的基本过程被认为是合法的、稳定的、决定论的和可逆的.
二、热力学第二定律: 时间对称破缺
1851 年,德国物理学家克劳修斯提出了热力学第二定律: 热量不可能独立地、不付任何代价地从低温物体传向高温物体.1865 年,他又引入熵的概念,对这一定律作出了更深刻、更本质的表述: 任何孤立系统,它的熵永远不会减少.
或者说自然界的一切自发过程,总是沿着熵增加的方向进行,熵增加的不可逆性导致了时间的不可逆性.在描述热传导过程的傅里叶方程中,以 - T 代替 T,方程就变成另外不同的形式,这样就和时间反演前的方程不同了,时间的对称性破缺了.这种时间对称性的破缺表明时间是和系统演化紧密联系的.这样,物理学自身内部的发展,从动力学到热力学的转向,尤其是热力学第二定律的提出,使时间之失真正引入科学,改变了以往的统一的绝对时间观念.
普里戈金在 1986 年以《时间的再发现》为题作了一次演讲,他说: "对时间这个概念的理解,人们在最近的 10 年或 20年中已经有了重大变化; 完全可以说,时间是又一次被发现了."他又指出: "我们已经开始破译着名的热力学第二定律所传达出的深刻的信息.无处不在的、或称为万有的时间箭头,即时间对称性破缺,正是第二定律的核心; 正是从这里再度发现时间."[2]
热力学第二定律的发现使得人们不得不抛弃传统的统一的绝对时间观念.因为直到 20 世纪初,人们一直认同时间的绝对性,即每一事件都可以由称作"时间"的数字用统一的方式来表示出来,而按照热力学第二定律,孤立系统的熵会增加,但如果系统不是孤立的,熵也会由不可逆过程产生出来.你不可能使宇宙时间倒流对熵进行还原,这意味着时间有方向性,它不再是可逆的,而是不可逆的.
正如普里戈金所说: "对于每一个初始条件,都有一个'信息'与之对应.含有有限信息的所有初始条件都是可能存在的.
可是要想把时间方向倒转过来,我们必须有无限的信息; 我们不能创造出一种能向我们的过去演化的情形! "普里戈金对热力学第二定律的重新解释展示了全新的时间概念结构.他认为混沌不是混乱不堪、毫无规则,而是指出其在表面混乱的一面中还存在着多样、复杂、精致的结构和规律,是一种貌似无序的复杂有序,一种非平庸的有序,一种与平衡运动和周期运动本质不同的有序运动,其中时间之矢在这里起着很关键的作用.因此他把热力学第二定律描述为一种选择原则.他还指出: 热力学第二定律并不是在经典动力学基础上的宏观近似,而是动力学的基本原则,可以从它开始建立动力学的更一般的形式体系; 热力学第二定律并不意味着热力学系统的单向退化( 热寂) ,它也是进化的原动力,熵最大的状态只是演化的终态,而在演化过程中不可逆性会导致自组织的出现.普里戈金在时间观念上提出了一个广泛的综合,既包括可逆的时间,也包括不可逆的时间,并且指出它们彼此间的关系,不仅在宏观水平上,而且也是在最微观的水平上.普里戈金觉得,将不可逆性作为一个基本的事实,将会导致概念框架的全新转换,他在《从存在到演化》中指出: "我们并非要把第二定律解释成由于把某种情形的近似或'无知'引入动力学而得到的一个表现的结果,而是把第二定律假定为一个基本的物理事实,并探讨这个假定所暗示的我们关于空间、时间和动力学概念的改变."[2]
"时间不仅贯穿到生物学、地质学和社会科学中,而且贯穿到传统上一直把它排除在外的两个层次,即微观层次和宏观层次中.不但生命有历史,而且整个宇宙也有历史,这一点具有深远的含义."时间的普遍存在使物理学各个领域的"时间之矢"被发现,经典物理学所描述的世界正在发生革命性的变化.简单性、稳定性、可逆性、单一性的机械世界逐渐被复杂性、不稳定性、不可逆性、不可预测性的演化世界所取代,它们对自然界进行了新的阐释,使得人们更加理性地、全面地、客观地对待自然.
三、耗散结构理论: 时间是构造
热力学第二定律使得时间不可逆性进入了物理学,改变了经典力学的世界.然而按照定律中的熵不断增加的原理,宇宙中的能量不可避免地要有所损失,我们的世界机器会越来越接近"热寂",这使得人们对其产生怀疑.而且达尔文提出的生物进化理论表明生物的进化过程是不可逆的,它从最小的、最简单的微生物一直进化到结构高度有序的人体,是由低级向高级的进化系统.这与宇宙热寂说是完全相反的两个过程.普里戈金经过研究发现热力学第二定律旨在指明任何系统的终态都是热平衡,但这并不意味着系统一直均匀地处在混乱之中.在作者看来,"熵不仅向着无组织性滑去,在某些条件下熵本身会成为有序的根源."[1]
在非平衡条件下,熵不会削弱而是会产生有序和组织---进而会产生生命.事实上,不可逆过程是有序的源泉,与随机性和开放性相连的过程会导致更高级的组织,即耗散结构.普里戈金说: "在耗散结构里,在不稳定之后出现的宏观有序是由增涨最快的涨落决定的.因此,这种新型的有序可以叫做'通过涨落的有序'".由此看来,涨落是形成新结构的杠杆,是新结构的胚胎,通过涨落达到有序,是一个重大的概念革新.
在耗散结构的变化理论中,当涨落迫使一个现存系统进入远离平衡的状态并威胁其结构时,该系统便达到一个临界时刻或分叉点.在这个分叉点上,按照作者的理论,从本质上说不可能事先决定该系统的下一步状态.偶然性决定了该系统的哪些部分在新的发展道路上保留下来.而且这条道路( 从许多种可能的道路中) 一经选定,决定论便又开始起作用,直到达到下一个分叉点.时间在这里像一个建设者,随着它的流逝,事情在发生变化.而且这个过程不可能倒转.偶然性的作用使系统的发展具有不确定性.
耗散结构理论的发现使人们认识到了不可逆过程在有序的形成中可以起到积极的作用,从而也使热力学第二定律和生物进化论两种演化学说之间的矛盾得到解决.
耗散结构理论在熵增加的原理首次揭示了时间的不可逆性( 时间单向性) 的基础上,着重研究了系统在远离平衡状况下的不可逆过程,指出远离平衡的开放系统,一旦形成涨落,就发生突变,经过分支点形成新的稳定的有序结构,决不会再返回到原来的状态.普里戈金指出: 不可逆过程是客观存在的,并不是因为碰到复杂系统时由于测量不精确而采用附加的近似假定.反之,可逆过程才是一种抽象的假定.在许多运动现象中,不可逆过程起着基本的建设作用.不可逆过程同样深深扎根于动力学之中,现在人们正在探索将不可逆过程和动力学的可逆过程统一起来.耗散结构理论首次揭示了可逆性与不可逆性的本质及二者之间的辩证统一关系.
通过对经典物理学的时间对称的回顾与探讨,对热力学第二定律中的熵增加原理的研究,作者发现了时间的不可逆性,即"时间之矢",并且在此基础上进一步提出了耗散结构理论,完善了人们对时间不可逆性的认识,使人们认识到了时间在系统演化中的重要作用.今天我们越来越深入地了解了不可逆性的本质.世界是复杂和多元化的,有的系统和过程可能是可逆的( 如无摩擦的钟摆运动) ,而更多、更普遍的系统和过程是不可逆的.不可逆系统是比较复杂和不稳定的系统,其概率描述和内在的随机性是它的特性.所以,不可逆性和随机性密切相关.从耗散结构的自组织过程看,随机性引出不可逆性( 随机选择引出不可逆进化) ,或者说微观的随机性可导出客观的不可逆性,而宏观的不可逆性隐含着微观的随机性.世界上的物质可以分为有生命的和无生命的,有生命的"活"的物质必然存在耗散和不可逆,不可逆过程构成了"活"的物质.我们生存的世界处在进化之中,无论对于生命还是进化,不可逆性都起着十分重要的建设性作用.
【参考文献】
1. 伊·普里戈金. 伊·斯唐热着. 从混沌到有序[M]. 上海:上海译文出版社,19872. 伊·普里戈金. 伊·斯唐热着. 从存在到演化[M]. 上海:上海译文出版社,1987
